细胞生物学的发展.ppt

第七章 细胞生物学的发展生物学革命的三个阶段• 自1900年起，生物学的进步是空前的，一场真正的生物 学革命突然降临在20世纪中叶德罗斯纳将这场革命分为三个阶段：• 分子生物学的降临 （1955-1965）• 细胞生物学的改进 （1965-1975）• 生物工程学的出现 （1975-1985）细胞生物学经历了四个主要发展阶段：• 1）1665-1830s，细胞发现，显微生物学 • 2）1830s-1930s，细胞学说，Cytology诞生• 3）1930s-1970s，电镜技术应用， Cytology发展 为细胞生物学• 4）1970s以来，分子细胞生物学时代细胞研究的三个层次• 1、细胞水平（显微水平）：利用光学显微镜，可观察到细胞膜、细胞核及某些细胞器（线粒体、高尔基体 等）的结构• 2、亚细胞水平（亚显微水平）：利用电子显微镜，可观察到细胞膜、细胞核及所有细胞器的微细结构• 3、分子水平：中心法则，DNA, RNA, 氨基酸, 蛋白质，遗传密码等等American Type Culture Collection (ATCC)华盛顿特区Rock Wille城有一座十分不起眼的小楼 就是闻名于世的美国细胞中 心ATCC所在地。

这里保存 着世界各地600万种细胞Raspail曾经说过 “给我一个细胞，我将导演出一个生 命世界！”比如编号ATCC CCL2的细胞株，就是1951年在Baltimore的 Hopkins医院一位死于宫颈癌的31岁黑人妇女（Henrietta Lacks） 的宫颈癌细胞因此也叫Hela细胞半个世纪以来，这株细胞在全世界广泛应用现在用过的细 胞总重量已远远超过Lacks本人的体重这个中心每年向世界寄送5万余株细胞这些在零下196度保存的细胞在适当条件下均可以复活所以每个细胞都有双重生命，它既是生命的一部分，是生命的基本单位，同时它们自身也是有生命的胚胎干细胞克隆全能细胞胚泡Dolly sheep born in Roslin Institute, Scottland.1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的试验基地诞生成为世纪末的重大新闻 多莉有３个母亲： 基因母亲 借卵母亲 代孕母亲 多莉有父亲吗？Professor Ian Wilmut FRS - Dolly and nuclear transfer 1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英国苏格兰卢斯林研究所的试验基地诞生。

成为世纪末的重大新闻多 利 和 它 的 孩 子 美国沃尔夫教授成功克隆两只恒河猴 克隆羊，克隆牛，克隆鼠，克隆猪，克隆猴，忽如一夜春风来，千树万树梨花开吴明杰小组：5只克 隆猪1999年在世界上首次培育体细胞克隆牛；2002年克隆出了猪；2003年又首次在世界上培育出“抗疯牛病牛”；2005年他的科研小组成功培育出世界首条克隆狗“斯纳皮” 黄禹锡和他的克隆狗“ 斯纳皮”他分别于2004年和2005年在美国《科学》杂志上发表 的有关人类胚胎干细胞研究被证明是子虚乌有•单克隆抗体技术• 正常淋巴细胞（如小鼠脾细胞）具有分泌抗体的能力，但不能长 期培养，瘤细胞（如骨髓瘤）可以在体外长期培养，但不分泌抗 体于是Kohler（克勒）和Milstein（米尔斯坦）1975将两种细胞 杂交而创立了单克隆抗体技术，获1984年诺贝尔奖细胞周期及其调控机制的研究与发现 ----2001诺贝尔生理医学奖 • 每年一度的诺贝尔科学奖是科学界的重大事件之一• 2001年10月8日，瑞典卡罗林斯卡医学研究院宣布：• 由美国西雅图 Fred Hutchinson 癌症研究中心利兰.哈特韦尔（Leland Hartwell）、英国伦敦皇家癌症研究基金 的保罗．纳斯（Paul Nurse)和提莫西.亨特（Timothy Hunt）共享2001年度诺贝尔生理学／医学奖，以表彰 他们“发现了细胞周期的关键调节因子”F获奖者及其研究方法 F细胞周期 F细胞周期调控机制 F细胞周期与疾病 F对我们的启示• 利兰‧哈特韦尔(Leland Hartwell) 是美国霍秦逊(Fred Hutchinson)癌症研究中心院 长，也是西雅图(Seattle)华盛 顿(Washington)大学遗传学系 的教授.• 1970年代初期开始研究细胞周期的机制。

他以酵母菌作为研究对象，利用基因突变技术，试图 找出控制细胞周期的关键因子，结果筛选出超过一百个调 节细胞周期的基因，将它们命名为cdc (cell division cycle)基因其中特别重要的是cdc28基因(“start”基因)，他发现当 此基因突变时细胞周期会停止在G1晚期的“START”关卡 ，一旦细胞通过“START”关卡便开始进行DNA的复制，因此CDC28蛋白质是一个控制细胞由G1时期进入S时 期的重要因子 1980年代，利兰‧哈特韦尔利用高能量辐射线照射酵母菌细胞来研究细胞受到破坏时的反应，提出细胞有检 查点(checkpoint)的构想检查点是指，具有调节功能的蛋白质会在此时期让 细胞周期呈现暂停状态，此时细胞检查DNA是否受到破坏或有任何的缺陷，并且在进入下一个时期之前进行 DNA修补(repair)工作checkpoint构想为研究癌细胞分裂增殖为何失去控制提出了一个重要的基本观念，认为癌症的发生可能与检 查点的调控机制出现问题有关返回蒂莫西‧汉德 (Timothy Hunt) 英国帝国癌症基金会(Imperial Cancer Research Fund)细胞周期研究中心的主任。

• 1983年，他以青蛙与海胆(fertilized eggs of frogs and sea urchins)的受精卵作为实验对象找到两种蛋白质：他们会 在细胞分裂的间期(interphase)聚积，随后又在细胞分裂 (mitosis)的末期快速地分解，之后又会再度累积，使得此种蛋白质呈现周期性的变动• 他将此种蛋白质称为周期素(cyclin)，也就是它会随着周期 性的累积与分解进出M时期• 因此推测它的功能是推动细胞分裂(mitosis)的进行保罗‧诺尔斯(Paul Nurse) 英国帝国癌症基金会(Imperial Cancer Research Fund)的院长，于1975年开始细胞周期机制的研究 他以酵母菌为研究对象找到了cdc2基因，此基因的功 能与cdc28相当，所转译的蛋白质不但能控制细胞周期中 G2时期进入M时期的检查点，也能控制G1时期进入S时期的检查点进一步发现cdc2基因所转译的蛋白质是一种蛋白质激 酶(protein kinase)，主要是依赖蛋白质的磷酸化来调节细胞周期1987年，保罗‧诺尔斯利用具有cdc基因缺陷的酵母菌 细胞作为研究对象，转入人类的基因，寻找功能与cdc基 因相对的人类基因，因此发现了周期素依赖性激酶(cyclin- dependent kinase 1, cdk1)基因。

由于此项发现，保罗‧诺尔斯认为在大部分的生物体中，调控细胞周期的基因与调控模式 随着演化的过程被忠实 地保留下来，所以人类拥有与大多数生物体相似的基因因此只要利用其它模式生物作研究就可以得到有关于人类的相关信息Hela 细胞增殖周期时相细胞周期细胞的生长分裂过程有一定的程序，除了受到细胞内外的信息所调节之外，也受到调控因子严密地监视错误的发生 以及时采煞车，此过程称为细胞周期(cell cycle) (图一)，可以分为四个时期进行：(1) G1 (gap1) 时期：细胞维持正常代谢并且继续生长， 在进入S (synthesis) 时期之前会检查染色体DNA是否受到破 坏以进行修补(repair)的工作﹐此时期需要花十到十二小时 细胞也可能由此脱离细胞周期进入不生长的休止状态(G0 时期)，需要有适当的信息才会重新投入细胞周期；(2)S时期：细胞会花六到八小时进行DNA的合成，将原本的二十三对染色体复制另一份；(3)G2 (gap2)时期：细胞需要花三到四小时，除了继续 生长并且合成蛋白质之外，细胞也会负责检查染色体DNA 的复制是否完整以准备进行有丝分裂 (mitosis)；(4)M (mitosis) 时期：细胞会由一个母细胞变成两个子细胞，已复制完整的染色体会各自分配到子细胞内，使得 子细胞内的染色体与母细胞完全一样，此时期只有一小时 。

之后子细胞再开始进入下一个细胞周期细胞周期细胞周期调控机制Cyclin与Cdk在细胞周期中所扮演的角色经由后来的科 学家们陆续研究证明：Cyclin会与Cdk形成复合物以控制细胞周期大量合成与累积的Cyclin与Cdk结合后会引导Cdk到 目标蛋白质上，Cdk会把磷酸基加在调节DNA复制或引发细胞分裂的关键蛋白质上，通过改变蛋白质的功能以进一 步控制细胞周期除了Cyclin与Cdk负责调控细胞周期的检查点之外，还有其它蛋 白质会控制Cyclin与Cdk的活性以对细胞周期作更严密的监控例如当细胞处于G2时期进入M时期的R (restrict) 点时， CyclinB 会与Cdk1结合， Cdk1的活性会受到Wee1与Cdc25蛋白质藉由磷酸化与否来调节CyclinD与Cdk4或Cdk6的复合物负责调节G1早期的检查点， Cdk4或Cdk6的活性会受到p16 INK4a的抑制以阻止细胞周期的进行在G1时期进入S时期的检查点上CyclinE会与Cdk2形成复合物， 此时Cdk2活性受到p21CIP1、p27KIP1与p57KIP2的抑制(图二)细胞周期与疾病• 细胞周期与多种人类疾病相关，其中最重要的莫过于与肿 瘤和癌症的关系。

肿瘤和癌症的主要原因是细胞周期失调 后导致的细胞无限制增殖• 从分子水平看，肿瘤则是由于基因突变致使细胞周期的促 进因子（或称“癌蛋白”有些周期蛋白便有可能变成癌蛋 白）不恰当的活化，和／或抑制因子（即“抑癌蛋白”）失活，造成细胞周期调节失控的结果•其中，破坏检查点的正常控制、由癌蛋白“谎报军情”使细胞同 期调控系统总得到“增殖”的指令，是肿瘤细胞常耍的手腕•所以说，阻止癌细胞分裂即可达到抑制其恶性生长甚至将其杀 灭的目的•实际上，多数肿瘤化疗药物均是细胞周期的抑制剂，但缺点是 它们“良莠不分”，也抑制正常细胞•对细胞周期分子机制的研究，不仅使我们能深刻认识这一重要 生命活动的本质，还可能通过针对性的设计和筛选，开发出更 专一、更有效的治疗药物及治疗方法深入的研究也将使相关 疾病病因的基因诊断和针对性基因治疗成为可能 • 三位先驱的成果，构筑了细胞周期调控机制的框架，并迅 速惟动了细胞周期、肿瘤发生与抑制机制等方面的研究， 从而形成目前日新月异的局面• 值得一提的是，在方法学上，所以均采用了离“应用”似乎相距甚远却利于解决问题的低等生物作为研究材料可见 科学创新往往需要远见和开拓精神，需要自由的学术思想 并摆脱传统观念的束缚。

• 重要的科学发现往往能迅速带动整个学科领域的发展，甚 至观念上的革命，因此，从长远看，必然会推动应用研究 并为其开拓出更广阔的空间2002年，英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在 器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡 方面的研究获诺贝尔生理学或医学奖Sydney BrennerH. Robert HorvitzJohn E. Sulston Sydney BrennerThe Molecular Sciences Institute Berkeley, CA, USA 英国科学家Sydney Brenner，1921年1月13日生于南非 1951年在南非 威特沃 特斯兰 大学完成了他的硕士学业， 1954年取得牛津大学博士学位，任职于美国加利福尼亚州伯克利的分子科学研究所他选择线虫作为新颖的实验生物模型，这种独特的方法使得基因分析能够和细胞的分裂、。